Tiểu luận môn Vật lý Laser

1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

BÀI TIỂU LUẬN HỌC PHẦN
VẬT LÝ LASER


2

NĂM 2021


3

MỤC LỤC

Stt

Nội dung

Trang

1

A. Lời nói đầu

3

2

B. Nội dung

4

Chương 1: Định nghĩa

4

Chương 2: tính chất của Laser

5

3

C. Kết luận

14

4

Tài liệu tham khảo

14


4

A. LỜI NÓI ĐẦU
Từ trước những năm 1958 Charles Townes đã nhận thấy những ưu điểm của

việc khuếch đại vi sóng bằng bức xạ cảm ứng và ứng dụng vào trong truyền thông,
Trong những bộ phim khoa học viễn tưởng nổi tiếng hồi thập niên 1950, các con
quái vật thường được miêu tả có khả năng phát ra những tia sáng gây chết người từ
đơi mắt của chúng (xem hình 1). Đến năm 1960 kể từ khi Theodore Maiman phát
minh ra laser rắn đầu tiên cho đến nay laser đã không ngừng được nghiên cứu và
phát triển. Cùng với tiến bộ của khoa học vật liệu và quang điện tử laser ngày càng
được phát triển đa dạng về chủng loại đồng thời kĩ thuật cũng được hồn thiện hơn.
Đặc tính quan trọng nhất của laser là một nguồn sáng rất đơn sắc và có cường độ
mạnh. Sóng ánh sáng của laser phát là sóng kết hợp . Các nguồn sáng thơng
thường khơng có đặc tính này

Hình 1. Qi vật mắt laser của thập niên 1950
Laser được chế tạo để tạo ra và khuếch đại dạng ánh sáng cưỡng bức này thành
các chùm cường độ mạnh và tập trung. Tính chất đặc biệt của ánh sáng laser khiến


5

cho kĩ thuật laser trở thành một công cụ thiết yếu trong hầu như mọi mặt đời sống
hàng ngày, như viễn thơng, giải trí, sản xuất và y khoa.
Trong bài viết trình khái niệm về laser, tính kết hợp thời gian, tính kết hợp khơng
gian và độ kết hợp. Đây là bài viết dựa trên các tài liệu nghiên cứu về laser
Tuy có cố gắng nhưng chắc chắn bài viết sẽ khơng tránh khỏi những thiếu sót rất
mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cơ.
B. NỘI DUNG
Chương 1. Định nghĩa laser
LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) là viết tắt của
sự khuếch đại ánh sáng bằng sự phát xạ kích thích. Laser là một thiết bị tạo ra ánh
sáng định hướng cao. Nó phát ra ánh sáng thơng qua một q trình gọi là phát xạ
kích thích làm tăng cường độ ánh sáng.

6

Khi xét đến các ứng dụng của laser như dùng để khắc lên bề mặt vật liệu, cắt
kim loại hay phá vỡ cấu trúc vật liệu, chúng ta có thể nghĩ rằng sự khác biệt lớn
nhất của laser chính là cơng suất. Tuy nhiên, điều này là khơng hồn tồn đúng.
Trên thực tế vẫn có một số loại laser cơng suất bé hơn chiếc đền pin cầm tay rất
nhiều lần nhưng lại có khả năng đốt cháy các vật liệu thơng dụng. Do đó cơng suất
lớn khơng phải là đặc tính mang bản chất tạo nên sự khác biệt của nguồn sáng laser
với ánh sáng thông thường. Sự khác biệt của nguồn sáng laser với ánh sáng thông
thường là - laser có độ định hướng cao và các tia chỉ lan truyền trong một vùng
không gian hẹp
- laser là ánh sáng đơn sắc
- các sóng phát ra từ chùm laser có tính kết hợp cao, trong khi ánh sáng phát ra từ
đèn pin lại khơng có mối liên hệ về pha.
Chương 2: Đặc điểm của laser
2.1 Tính đơn sắc
Để có thể hình dung được tính chất này của laser, chúng ta có thể thực hiện
một thí nghiệm khá đơn giản bằng cách sử dụng lăng kính. Do có khả tán sắc ánh
sáng trắng phát ra từ mặt trời, Khi đó bằng mắt thường chúng ta có thể quan sát
được dải màu từ đỏ đến tím với độ rộng phổ trong khoảng 300 nm.
Nếu biết ánh sáng mặt trời được cho đi qua một kính lọc màu đỏ, chúng ta
có thể cảm nhận một màu duy nhất truyền qua khi quan sát bằng mắt thường
nhưng trên thực tế vẫn có một dải màu đỏ hẹp và nhạt dần nếu chúng ta sử dụng
lăng kính để tán sắc nó.
Tính đơn sắc của laser bắt nguồn từ cấu trúc của buồng cộng hưởng, chỉ có
dao động của những sóng điện từ thỏa mãn yêu cầu cộng hưởng tần số mới có thể
luân chuyển bên trong

7

2.2. Tính định hướng
Tính chất định hướng cao của laser có được do mơi trường hoạt tính nằm
trong buồng cộng hưởng trước khi đi ra ngồi nên độ phân kì của chùm laser là rất
nhỏ. So với các nguồn sáng thông thường, khi các tia sáng gần như trải rộng trong
tồn bộ khơng gian thì do tính định hướng cao, năng lượng trong chùm tia laser sau
khi đi ra khỏi buồng cộng hưởng dễ dàng được hội tụ vào một vùng rất nhỏ. Để
đánh giá được tính định hướng của chùm laser có phân bố Gaussian, người ta sử
dụng khái niệm góc phân kì của chùm tia. Đó là giá trị góc đo được tại vị trí mà
cường độ bức xạ laser nằm tại biên ngoài chùm tia giảm đi 1/e lần so với vị trí
trung tâm. Độ lớn của góc φ cho chúng ta thấy chùm tia laser bị phân kỳ lớn hay
nhỏ trong q trình lan truyền. Thơng thường giá trị này rất nhỏ chỉ vài miliradian
cho mỗi mét lan truyền của tia laser
Giá trị độ lớn của góc phân kì của chùm tia được tính theo cơng thức
Trong đó :
: là bước sóng ánh sáng

(1)

D: là đường kính chùm tia laser
Thực hiện phép tính đơn giản với laser He-Ne có bước sóng  = 632 nm và
đường kính chùm tia là 2 mm thì φ= 316,4 10-6 rad
Giá trị của φ càng nhỏ, độ phân kỳ của chùm tia laser càng bé. Dựa vào công
thức trên chúng ta thấy, Độ phân kỳ có thể kiểm sốt được nếu chúng ta thay đổi
giá trị  hoặc D, Khi thay đổi  và D đồng nghĩa thay đổi môi trường hoạt tính
hoặc thiết kế lại buồng cộng hưởng. Đối với các nguồn sáng thông thường độ phân
kỳ được đánh giá bằng cơng thức:
(2)

Tính định hướng tốt đã làm cho cường độ

chùm laser co giá trị

rất lớn so với ánh sáng thông thường. Giả sử ánh sáng phát ra theo mọi phương từ


8

bóng đèn sợi đốt nếu được tập trung lai và chỉ lan truyền theo một phương có
đường kính là 3 mm thì tại vị trí cách bóng đèn 1m cường độ sáng lúc này đã tăng
lên 1 triệu lần so với ánh sáng phát ra từ bóng đèn sợi đốt thơng thường. Chính đặc
điểm này mà ngày nay người ta thường sử dụng tia laser trong các máy cắt, máy
khắc kim loại.
2.3. Tính kêt hợp
Một trong các điều quan trọng khi chúng ta nghiên cứu về laser là xem xét
tương tác của sóng ánh sáng có tần số sai khác nhau rất nhỏ hoặc hai sóng ánh sáng
xuất phát từ hai điểm nằm rất gần nhau trong không gian. Trong các trường hợp
như thế hai sóng này sẽ giao thoa với nhau và tạo ra rất nhiều hiệu ứng lý thú. Để
hiểu rõ ý nghĩa tính chất này chung ta nghiên cứu bài tốn sau.
Xét hai sóng điện từ có dạng:
E1(ω,z) = E10 ei(ω1-k1z)

(3)

E2(ω,z) = E20 ei(ω2-k2z)

( 4)

Trong đó , biểu diễn giá trị cực đại của điện trường trong q trình sóng lan
truyền. Ta xét trường hợp hai sóng lan truyền gần nhau trong khơng gian, khi đó
sóng tổng hợp sẽ là

(5)

E= +
Và cường độ của sóng tổng hợp sẽ là:
I = 2 = ( + ) . + )*
= )2 +)2 + +
2

(6)

2

= ) +) + +
= )2 +)2 + 2 cosθ
Với θ = (ω1 - ω2)t - (k1 - k2)z

(7)

Để đánh giá biểu thức trên ta giả thiết
( 8)


9

Ta thấy rằng nếu θ = 0 thì
I = 2 = )2 +)2 + 2 cosθ = 4 )2

(9)

Với cường độ của từng sóng thành phần là
( 10)

I = 2 = ( ).( )* = 4 )2

So sánh (9) và (10) ta thấy nếu θ = 0 thì cường độ sóng sẽ gấp 2 lần tổng
cường độ của từng sóng thành phần. Ngược lại, khi θ= π thì cường độ tổng hợp sẽ
bằng khơng. Kết quả cho thấy hai sóng có sự giao thoa lẫn nhau và chúng tạo ra
các hiện tượng khơng xuất hiện khi xét từng sóng thành phần.
Quan sát kĩ biểu thức (7) ta thấy θ= 0 chính là hệ quả từ tính chất của hai
sóng tương đồng nhau, hay nói cách khác ω 1 = ω2 và k1 =k2. Khi đó, hiện tượng
giao thoa sẽ xảy ra, hai sóng lúc này được gọi là kết hợp với nhau. Nếu tần số góc
ω hay véc tơ sóng k khác nhau thì hai sóng sẽ khơng giao thoa chúng được gọi là
khơng kết hợp. Do đó, với các sóng kết hợp thì cường độ tổng cộng là :
I = I1 + I2 ± 2

(11)

Và nếu chúng kết hợp thì:
I = I1 + I2

( 12)

Nhằm đánh giá tính chất kết hợp giữa hai sóng ánh sáng người ta phân làm hai loại
- Kết hợp thời gian ( khi xét hai sóng có sự sai khác về tàn số)
- Kết hợp khơng gian ( khi xét hai sóng bắt nguồn từ hai vị trí khác nhau)

2.4. Kết hợp thời gian
Tính kết hợp thời gian hay cịn được gọi là tính kết hợp dọc chỉ mối liên hệ
về pha của hai sóng dọc theo phương lan truyền của chùm laser. Giả thiết hai sóng


10

ban đầu xuất phát từ cùng vị trí và hồn tồn cùng pha với nhau. Trong q trình
lan truyền sẽ có một vị trí mà tại đó hai sóng này có pha hồn tồn ngược nhau (θ
=π ), khoảng cách này được gọi là chiều dài kết hợp . Công thức xác định chiều dài
kết hợp dọc như sau :
lc =( )= ( )

( 13)

trong đó :
: biểu diễn độ rộng phổ tính theo bước sóng (m)
 : là giá trị trung bình của bước sóng (m)
lc : là chiều dài kết hợp dọc (m)

Hình 1. Chiều dài lc của hai sóng bắt nguồn từ cùng mọt vị trí
Biểu thức trên cho ta thấy lc sẽ có giá trị lớn khi ≪ hay nói cách khác,
bước sóng của hai sóng có sự sai khác rất nhỏ.
Xét ví dụ một đèn hơi thủy ngân cao áp phát bức xạ một phần phổ ánh sáng
màu xanh lục ở bước sóng 546,1 nm có độ rộng phổ ∆ = 6 108 Hz và một laser
He-Ne bức xạ ánh sáng có bước sóng là 632,8 nm có độ rộng phổ ∆ = 106 Hz .
Tính chiều dài kết hợp dọc của hai bức xạ phát ra từ hai nguồn sáng đó.
Ta có mối liên hệ giữa tần số ánh sáng và bước sóng ánh sáng là:
=

11

=
d = d() = - c d
Xét trường hợp đèn hơi thủy ngân cao áp, mối liên hệ giauwx độ rộng phổ
tính theo bước sóng và tần số là:
∆ = () = =5,96 . 10-13 (m)
Chiều dài kết hợp dọc tính cho đèn hơi thủy ngân khi đó sẽ là:
lc =( )= ( ) = = 0,50 (m)
Tương tự cho laser He-Ne, mối liên hệ giữa độ rộng phổ tính theo bước sóng
và tần số cho ta:
∆ = ( ) = = 1,33 . 10-15 (m)
Chiều dài kết hợp dọc tính cho bức xạ từ laser He-Ne khi đó sẽ là:
lc =( )= ( ) = = 301 (m)
Kết quả tính tốn cho ta thấy chiều dài kết hợp dọc của sóng ánh sáng la
laser lớn hơn rất nhiều so với sóng ánh sáng phát ra từ đèn hơi thủy ngân. Chính vì
lý do này, chúng ta nhận thấy sẽ rất khó thực hiện các thí nghiệm về giao thoa hay
nhiễu xạ ánh sáng khi sử dụng nguồn sáng thông thường.

2.5. Kết hợp không gian


12

Hình 2: chiều dài lt của hai sóng bắt nguồn từ hai vị trí
Tính kết hợp khơng gian cịn được gọi là tính kết hợp ngang, để dễ hình
dung ta xét hình vẽ 2 . Trong đó, hai nguồn phát sóng cách nhau một đoạn s. A là
một điểm nằm trên phương vng góc và đi qua trung điểm của đoạn nối hai
nguồn sáng và tại A hiện tượng giao thoa xảy ra. B là điểm nằm trên phương đi qua

A và song song với phương nối hai nguồn sáng. Khi đó, nếu B là vị trí xa nhất mà
hiện tượng giao thoa giữa hai nguồn sáng cịn có thể xảy ra thì chiều dài đó được
gọi là chiều dài kết hợp ngang. Công thức xác định chiều dài kết hợp ngang như
sau:
lt = = = =

( 14)

trong đó θ≅/s
Xét ví dụ một laser plasma có tiết diện bức xạ là 100 μm và bước sóng phát
ra là 10 nm. Hãy tính chiều dài kết hợp dọc tại vị trí cách nguồn phát một khoảng
là 0,5 m.
Áp dụng công thức (14) ta có
lt = = = 0,00005 (m) = 50 μm
Nói cách khác, nếu khoảng cách giữa hai nguồn phát sóng là 100 μm thì vị
trí xa nhất giữa hai điểm trên màn chắn mà tại đó hiện tượng giao thoa cịn có thể
xảy ra sẽ là 50 μm.
2.6. Độ kết hợp


13

Chúng ta biết rằng ánh sáng khả kiến được phát ra khi các electron bị kích
thích (các electron ở mức năng lượng cao hơn) nhảy xuống mức năng lượng thấp
hơn (trạng thái mặt đất). Quá trình các electron chuyển từ mức năng lượng cao hơn
sang mức năng lượng thấp hơn hoặc mức năng lượng thấp hơn đến mức năng
lượng cao hơn được gọi là quá trình chuyển đổi điện tử.
Trong các nguồn sáng thông thường (đèn, đèn natri và đèn khị), q trình
chuyển đổi điện tử diễn ra tự nhiên. Nói cách khác, q trình chuyển đổi electron
trong các nguồn sáng thông thường là ngẫu nhiên theo thời gian. Các photon phát

ra từ các nguồn sáng thơng thường có năng lượng, tần số, bước sóng hoặc màu sắc
khác nhau. Do đó, sóng ánh sáng của các nguồn sáng thơng thường có nhiều bước
sóng. Do đó, các photon phát ra từ một nguồn sáng thơng thường nằm ngồi pha.
Trong laser, q trình chuyển đổi điện tử xảy ra một cách giả tạo. Nói cách
khác, trong laser, q trình chuyển đổi điện tử xảy ra trong thời gian cụ thể. Tất cả
các photon phát ra trong laser có cùng năng lượng, tần số hoặc bước sóng. Do đó,
sóng ánh sáng của ánh sáng laser có bước sóng hoặc màu đơn. Do đó, các bước
sóng của ánh sáng laser cùng pha trong khơng gian và thời gian. Trong laser, một
kỹ thuật gọi là phát xạ kích thích được sử dụng để tạo ra ánh sáng.
Do đó, ánh sáng được tạo ra bởi laser có độ kết hợp rất cao. Vì sự gắn kết này, một
lượng lớn năng lượng có thể được tập trung trong một khơng gian hẹp.sóng ánh
sáng của ánh sáng laser chỉ có một bước sóng. Do đó, tất cả các photon phát ra từ
ánh sáng laser đều cùng pha. Do đó, ánh sáng laser được kết hợp.
Các sóng ánh sáng từ laser chỉ chứa một bước sóng hoặc màu sắc nên được gọi là
ánh sáng đơn sắc.Các tia laser rất hẹp và có thể tập trung trên một khu vực rất
nhỏ. Điều này làm cho ánh sáng laser có tính định hướng cao.Ánh sáng laser lan


14

tỏa trong một vùng nhỏ của khơng gian. Do đó, tất cả năng lượng tập trung vào
một vùng hẹp. Do đó, ánh sáng laser có cường độ lớn hơn ánh sáng thông thường.

C.KẾT LUẬN


15

Vào thời điểm được phát minh năm 1960, laser được gọi là "giải pháp để tìm
kiếm các ứng dụng". Từ đó, chúng trở nên phổ biến, tìm thấy hàng ngàn tiện ích

trong các ứng dụng khác nhau trên mọi lĩnh vực của xã hội hiện đại, như phẫu
thuật mắt, hướng dẫn phương tiện trong tàu không gian, trong các phản ứng tổng
hợp hạt nhân... Laser được cho là một trong những phát minh có ảnh hưởng nhất
trong thế kỉ 20.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
/>2. Giáo trình laser, TS Nguyễn Văn Hảo
1.